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CONAMET/SAM 2006 EFECTO DE P. aeruginosa (PAO1) SOBRE ACEROS AL
CARBONO J55 Y N80
USADOS EN LA RECUPERACIN SECUNDARIA DE PETRLEO
C.Eliana Martinez Shapasnikoff (1) D.Alberto Keitelman (2)
Comisin Nacional de Energa Atmica - Unidad de Actividad
Materiales
Av. General Paz 1499 - (1650) Villa Maip - San Martn Buenos
Aires Argentina e-mail: (1) [email protected]
(2) Repsol YPF- Centro de Tecnologa Argentina Baradero 777
(1925) Ensenada Buenos Aires Argentina
e-mail: [email protected]
RESUMEN Actualmente en Argentina ms del 70% del petrleo
producidoon shore se extrae por recuperacin secundaria. En el
tratamiento de agua de produccin para recuperacin secundaria, en el
propio reservorio y en los pozos productores e inyectores, se
generan diversos problemas operativos, entre ellos el
bioensuciamiento y la corrosin inducida microbiolgicamente (MIC).
Los mecanismos por los cuales ocurre la MIC no estn totalmente
dilucidados ni existe un acuerdo completo acerca de ellos. El
presente trabajo presenta resultados parciales y forma parte de un
proyecto ms amplio que tiene como objeto realizar un aporte al
entendimiento de los mecanismos de accin de los microorganismos en
la MIC. Los aceros al carbono, y dentro de stos, las aleaciones J55
y N80 -denominacin de acuerdo a Normas API, correspondientes a un
acero ferrtico-perltico y a un acero martenstico revenido,
respectivamente- son frecuentemente utilizados en la construccin
del tubing y del casing en los pozos de produccin petrolfera por
recuperacin secundaria y por tanto es importante evaluar su
comportamiento en contacto con microorganismos y estudiar si existe
alguna influencia de la microestructura tanto en la formacin del
biofilm como en la biocorrosin. Para esto se utilizaron cultivos
puros de Pseudomonas aeruginosa PAO1, adaptadas para desarrollarse
en agua de produccin de un pozo petrolero de la Cuenca Neuquina
Superior. Se realizaron ensayos estticos sin circulacin de fluido
ni agitacin, en envases cerrados, a temperatura controlada (25 C).
No se insufl aire en el interior de los recipientes, el volumen
libre sobre la solucin aport el oxgeno necesario para el desarrollo
biolgico. Los resultados obtenidos en los medios con inculo
bacteriano fueron contrastados con blancos estriles para intentar
separar el fenmeno inorgnico del biolgico. Cada condicin se evalu
por triplicado. El tiempo de duracin de los ensayos vari de cinco a
diez das. Inicialmente se determin el grado de cubrimiento de las
probetas y la variacin de parmetros tales como el pH, la
conductividad y el hierro disuelto. La evaluacin de corrosin
generalizada se bas en la medicin de la prdida de peso de los
especmenes ensayados durante diez das. Se siguieron los
procedimientos de la Norma ASTM G1, utilizando como solucin de
limpieza citrato de amonio al 20%, en ciclos de 20 minutos a 75 C.
Las tasas de corrosin obtenidas mostraron diferencias apreciables
en el comportamiento de ambas aleaciones, siendo mayores para J55
con relacin a N80, tanto en condiciones estriles como en presencia
de microorganismos -20% y 30% respectivamente-. Es probable que
este resultado est ligado al mayor contenido de carbono del J55 y
su presencia localizada en la fase perltica como cementita,
reconocida como sitio preferencial eficiente para la reduccin del
oxgeno, principal reaccin catdica al pH del ensayo. La aleacin J55
present una mayor tasa de corrosin -15%- en el medio inoculado
respecto del estril atribuible a la actividad bacteriana. En el
caso de la aleacin N 80 no se observ la misma tendencia. Se analiz
la relacin de iones de hierro ligados a la superficie / iones de
hierro en solucin para ambas aleaciones. Se encontr que esta
relacin es mayor en el caso de la aleacin J55 con respecto a la
N80, tanto en condiciones estriles como en los medios inoculados.
Para estudiar la corrosin localizada se realizaron observaciones
por Microscopa Electrnica de Barrido (SEM) no detectndose el
fenmeno en los tiempos ensayados. Se observaron, tambin por SEM,
las distintas etapas de formacin del biofilm sobre ambas
aleaciones, encontrndose mayor proporcin de microorganismos ssiles
sobre la aleacin J55, lo que probablemente estara vinculado con la
diferencia de comportamiento evidenciada en la evaluacin de la
corrosin generalizada. Palabras Clave: biocorrosin, MIC, aceros al
carbono, recuperacin secundaria de petrleo
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1. INTRODUCCIN
En la explotacin de hidrocarburos, la recuperacin secundaria ha
incrementado notablemente su participacin en la produccin,
representando en la actualidad ms del 70 % del total del petrleo
producido on shore en la Argentina. Dos de los principales
problemas operativos -estrechamente ligados entre s- de esta
actividad lo constituyen el biofouling (bioensuciamiento) y la
corrosin inducida microbiolgicamente (MIC) [1]
Los aceros al carbono, y dentro de stos, las aleaciones J55 y
N80, son frecuentemente utilizados en la construccin del tubing y
del casing en los pozos de produccin petrolfera por recuperacin
secundaria y por tanto es importante evaluar su comportamiento en
contacto con microorganismos.
El uso de Pseudomonas aeruginosa, una de las especies
habitualmente presentes en los pozos, es ampliamente extendido en
el estudio de biofilms, probablemente porque ha sido intensivamente
estudiada por los microbilogos genetistas y tanto su gentica como
su fisiologa son bien conocidas [2]. Existe un modelo sobre el
crecimiento estratificado de este microorganismo en biofilms, para
el cual se utiliz la cepa PAO1 [3]; este estudio fue realizado
sobre de vidrio y por tanto no tiene en cuenta las interacciones
que pueden presentarse entre las bacterias y una superficie
metlica, cuyo comportamiento electroqumico puede ser modificado por
ellas.
La mayor parte de los investigadores consideran a la MIC como
una forma particular de corrosin electroqumica, sin ser en s misma
un nuevo tipo de corrosin [4, 5] siendo una de las clasificaciones
ms frecuentes la que la divide en sistemas aerbicos y anaerbicos.
La MIC bajo condiciones oxigenadas generalmente implica la formacin
de metabolitos cidos. Algunos autores [4, 5] plantean que la
corrosin aerbica del hierro y sus aleaciones comienza por la
creacin de celdas de concentracin de oxgeno a travs de la generacin
de depsitos debidos a las bacterias formadoras de lodo. Sin
embargo, si se interpreta el fenmeno de acuerdo al modelo de ataque
localizado desarrollado por Galvele [6, 7] la explicacin estara en
las condiciones de acidificacin localizada generadas por la difusin
restringida debajo del biofilm por parte de los protones producidos
tanto por la hidrlisis del metal cuanto por los metabolitos cidos
producidos por los microorganismos. La reaccin catdica puede ser
tanto la reduccin de oxgeno, como la de los protones o ambas,
dependiendo del pH predominante fuera de la superficie cubierta por
el lodo biolgico que constituye el nodo.
Se ha observado tambin corrosin por picado en sistemas de
tratamiento de agua como consecuencia de la MIC, que algunos
autores dividen en dos tipos: a) la MIC activa, comprende la
participacin directa de bacterias; en otras
palabras, las bacterias estn ntimamente ligadas al proceso de
corrosin. Esto puede incluir un efecto de las bacterias sobre el
pH, el oxgeno disuelto, la secrecin de desechos corrosivos, etc.; y
b) la MIC pasiva, donde la biomasa resultante del crecimiento
biolgico es un contribuyente indirecto de la MIC. La presencia de
biomasa podra, por ejemplo, llevar a la corrosin por medio de un
mecanismo de ataque bajo depsitos, un caso particular de la
corrosin en rendijas, de acuerdo al modelo de ataque localizado
desarrollado por Galvele.
La morfologa de la corrosin producida por la MIC sobre diversos
materiales ha sido rigurosamente estudiada y tambin cuantificada.
Los mecanismos detallados asociados a este fenmeno an no son
totalmente comprendidos, a pesar de los esfuerzos enfocados en la
investigacin de los mismos [8].
Los resultados presentados en este trabajo son parciales y
forman parte de un proyecto ms amplio que tiene como objeto
realizar un aporte al entendimiento de los mecanismos de la MIC. 2.
DESARROLLO 2.1. Aleaciones utilizadas
Para los ensayos se utilizaron probetas rectificadas de tubos
sin costura de las aleaciones J55 y N80. El acero J55 es del tipo
ferrtico-perltico y el N80 es un acero martenstico revenido a
640-645 C.
En la Tabla I se presenta la composicin de los aceros utilizados
y en la Figura 1 se puede observar su microestructura. Tabla 1.
Composicin de los aceros utilizados
Composicin
J 55 N 80
C % (x100) 39 25 Mn % (x100) 101 126 Si % (x100) 37 29 Cr %
(x100) 8 6 Ni % (x100) 4 2 Mo % (x100) 5 2 Cu % (x100) 6 4 V %
(x1000) 2 2 Sn % (x1000) 6 4 Al % (x1000) 15 36 Nb % (x1000) 1 1 Ti
% (x1000) 10 22 S % (x1000) 1 1 P % (x1000) 14 10
As % (x1000) 3 2 Ca ppm 10 16 B ppm 1 22 N ppm - - O ppm - - H
ppm - -
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(a)
(b)
Figura 1. Microestructura de las aleaciones J55(a) y N80 (b).
Microscopio metalogrfico, 500x. 2.2. Preparacin de probetas
Se utilizaron probetas planas, rectificadas de anillos cortados
de los tubos, de 15x5x2 mm aproximadamente. En el ensayo preliminar
y en el de observacin de crecimiento de biofilm, las probetas
fueron pulidas en una de sus caras con papel abrasivo de graduacin
creciente hasta grado 600 y luego pasta de diamante de 6 y 1 m
respectivamente. En los ensayos de prdida de peso se pulieron todas
las caras con papel abrasivo hasta grado 600. Para el ltimo de
estos ensayos se realiz un orificio de 1,5 mm de dimetro a dos
tercios de la longitud mayor de las probetas.
En todos los casos las probetas fueron limpiadas en acetona por
ultra sonido. Antes de los ensayos se las esteriliz por inmersin en
alcohol 96% por 30 minutos con posterior flameado. 2.3. Bacterias,
medios y preparacin de inculos
Se utilizaron para los ensayos cultivos puros de Pseudomonas
aeruginosa cepa PAO1.
El medio de cultivo fue agua de produccin obtenida de un pozo de
recuperacin secundaria de petrleo correspondiente a la cuenca
neuquina superior, el cual fue seleccionado por ser representativo
en la produccin total de la zona. No se agregaron nutrientes de
ningn tipo. La composicin del medio utilizado se presenta en la
Tabla II.
Los inculos se prepararon haciendo crecer las bacterias en este
medio por 48 hs. a 25 C.
Tabla II. Composicin del medio utilizado. Composicin
Valores en ppm
Sodio 29.022 Calcio 1.327 Magnesio 495 Bario 0,4 Hierro Total
8,4 Potasio 10 Cloruros 45.221 Sulfatos 3.031 Bicarbonatos 1.990
Sulfuros Totales 3.2 Sulfuros Disueltos 0.3 Nitratos 24
Propiedades
T (in situ) 42,1 C pH (in situ) 6,4 Densidad (15 C) 1,05170 g/l
TDS 85.333 ppm
2.4. Condiciones de ensayo
Todos los ensayos se realizaron en frascos cerrados de 250 ml de
capacidad, con un volumen de medio que vari de 50 a 100 ml. Los
frascos fueron esterilizados con el medio en autoclave a 121C por
20 minutos.
La temperatura de 25C fue controlada a la dcima de grado en
estufa de cultivo. Todos los ensayos fueron de tipo esttico, sin
circulacin de fluido y sin agitacin. No se insufl aire en el
interior de los recipientes: el volumen de aire dentro de los
frascos (ms del 50% del total) proporcion el oxgeno necesario para
el desarrollo de los microorganismos. 2.5. Ensayos 2.5.1. Ensayo
preliminar
Se pusieron probetas de ambas aleaciones en contacto con el
medio: en el caso de los controles, el ensayo fue en condiciones
estriles. Los dems frascos fueron inoculados al 10% con P.
aeruginosa PAO1. Se realizaron tres extracciones de probetas: a las
24, 72 y 120 horas,
-
por triplicado, en ambas condiciones. Las probetas se observaron
por microscopa ptica de reflexin y por microscopa de barrido
electrnico (SEM). Se control el pH, la conductividad y el hierro
total disuelto al inicio y en cada extraccin. Se control
supervivencia y pureza del cultivo. 2.5.2. Ensayo de Crecimiento de
Biofilm
Este ensayo se realiz sin controles inorgnicos. Probetas de cada
aleacin fueron puestas en contacto con los microorganismos. Se
realizaron extracciones por triplicado a los 10, 20 y 30 das. Las
probetas se enjuagaron con una solucin de buffer fosfato pH 7,4
(PBS) para producir el lavado de las bacterias planctnicas. Se
fijaron los microorganismos con glutaraldehdo al 2,5% en PBS por
dos horas y luego se procedi a la deshidratacin de las muestras en
series alcohol-acetona de concentracin creciente. Posteriormente se
realiz el metalizado de las mismas en la cara de inters para su
observacin por SEM. 2.5.3. Ensayos de prdida de peso
Se realizaron dos ensayos de prdida de peso, siguiendo la norma
ASTM G1-90. La solucin de limpieza utilizada fue citrato de amonio
al 20%, en ciclos de 20 minutos a 75C en estufa. La duracin total
del ensayo fue de 10 das y las probetas se evaluaron por
triplicado. El rea expuesta fue de aproximadamente 2 cm2.
Se midi la concentracin de hierro disuelto total en las
soluciones con un espectrofotmetro HACH modelo DR400 (Mtodo N8008).
A partir de estos valores se calcul la cantidad de iones de hierro
en solucin en cada frasco y se compararon con la cantidad total de
hierro oxidado (prdida de peso).
Se control el nmero de microorganismos presentes al finalizar el
ensayo por recuento en placa utilizando como medio Agar Nutritivo
(AN).
En el primer ensayo las probetas en contacto con microorganismos
y los controles se colocaron apoyadas en el fondo de los frascos.
Para eliminar los efectos de crevice en la superficie metlica
apoyada y reducir en consecuencia la dispersin de los resultados de
prdida de peso, se dise un segundo ensayo, con probetas perforadas
para poder realizar la suspensin de las mismas. Debido a la
imposibilidad de esterilizar las probetas junto con los frascos en
autoclave, se dise un sistema de suspensin que permitiera mantener
las condiciones de esterilidad y prevenir posibles contaminaciones.
3. RESULTADOS 3.1. Ensayo preliminar
Evaluacin por microscopa metalogrfica: En los dos tipos de
aleaciones en contacto con
microorganismos se pudo observar el desarrollo de un film de
aspecto mixto: productos de corrosin y biolgico. En los controles
slo se observaron productos de corrosin. En todos los casos se
observ un alto cubrimiento de la superficie sin llegar a ser
homogneo.
Evaluacin por SEM: luego de haber quitado la capa que cubra la
cara de inters, se metalizaron las probetas y se observaron por SEM
en busca de posibles picaduras. El tamao y la distribucin de los
huecos observados no indican que se haya producido este
fenmeno.
Medicin de pH, conductividad y hierro total disuelto: no se
produjeron variaciones importantes en ninguno de los parmetros. El
pH inicial de 7,76 tuvo variaciones entre 7,60 y 7,90, tanto en los
controles como en los frascos con cultivos, por lo que deben
atribuirse a la naturaleza de los productos de corrosin. La
conductividad fue prcticamente constante, variando entre 68 y 70
mS/cm.
El hierro total disuelto correspondi al registrado en la Tabla
II de composicin del electrolito. 3.2. Ensayo de Crecimiento de
Biofilm
A travs de la evaluacin de las probetas por SEM se evidenci la
presencia de microorganismos adheridos a la superficie de ambos
tipos de probetas. Sobre las probetas de la aleacin J55 se observ
una distribucin homognea de P. aeruginosa as como la presencia de
numerosos individuos por campo. En el caso de la aleacin N80 la
distribucin de bacterias sobre la superficie mostr zonas
colonizadas y zonas sin colonizar, con un mayor porcentaje de estas
ltimas. El nmero de microorganismos por campo fue escaso.
Se observaron biofilms con 10, 20 y 30 das de desarrollo. En las
Figuras 2 y 3 se muestran las imgenes obtenidas de biofilms de 10
das sobre la superficie de ambas aleaciones.
Figura 2. Imagen de SEM de probeta J55con 10 das de crecimiento
de biofilm 6000 aumentos
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Figura 3. Imagen de SEM de probeta N80 con 10 das de crecimiento
de biofilm 6400 aumentos 3.3. Ensayos de prdida de peso
Las tasas de corrosin obtenidas en cada uno de los ensayos se
presentan a continuacin en las Tablas III y IV. El hierro total en
solucin comparado con el hierro total oxidado se presenta en las
Tablas V y VI. Tabla III Tasa de corrosin Primer ensayo
Probetas Tasa de corrosin (m/ao)
Promedio Con inculo
91 10
Aleacin J 55 Promedio
Control
81 1 Promedio Con inculo
69 10
Aleacin N 80 Promedio
Control
62 10 Tabla IV Tasa de corrosin Segundo ensayo
Probetas Tasa de corrosin (m/ao)
Promedio Con inculo
88 5
Aleacin J 55 Promedio
Control
74 2 Promedio Con inculo
64 8
Aleacin N 80 Promedio
Control
63 6
El recuento en placas de microorganismos planctnicos fue, para
el primer ensayo, de 4,3.105 ufc/ml y de 8.105 ufc/ml para los
medios en contacto con los aceros N80 y J55 respectivamente. En el
segundo ensayo, el recuento fue de 4,7.105 ufc/ml y de 1,3.105
ufc/ml respectivamente.
Tabla V Hierro disuelto versus hierro oxidado segn datos de
prdida de peso. Primer ensayo
Soluciones en contacto con:
Hierro disuelto
mg
Hierro oxidado
mg Con inculo 1,6 9,8
Aleacin J 55
Control 1,1 8,5
Con inculo 1,8 6,6
Aleacin N 80
Control 1,4 6,4
Tabla VI Hierro disuelto versus hierro oxidado segn datos de
prdida de peso. Segundo ensayo
Soluciones En contacto con:
Hierro disuelto
mg
Hierro oxidado
mg Con inculo 2,1 13,2
Aleacin J 55
Control 1,8 11,1
Con inculo 1,9 9,8
Aleacin N 80
Control 1,8 9,8
4. DISCUSION DE RESULTADOS
La aleacin J55 presenta en el medio estril
despus de diez das una tasa de corrosin un 20% mayor que la del
N80. Es probable que este resultado est ligado al mayor contenido
de carbono del J55 y su presencia localizada en la fase perltica
como cementita, reconocida como sitio preferencial eficiente para
la reduccin del oxgeno, principal reaccin catdica al pH del ensayo.
Comparando las tasas de corrosin en los medios inoculados result la
medida para el J55 alrededor de un 30% mayor que la del N80,
sugiriendo que opera un efecto similar de la estructura ferrtica
perltica en el caso de la actividad bacteriana, a travs del
incremento de la actividad catdica en las zonas de la
microestructura ricas en carbono.
Para la aleacin J 55, la tasa de corrosin en el medio inoculado
es un 15% superior a la del medio estril. En el caso del N80 no se
observan variaciones apreciables de la tasa de corrosin en el medio
inoculado respecto del estril. Esto puede vincularse con la mayor
presencia bacteriana ssil en el J55 que en el N80 detectada por
evaluacin con SEM.
En la comparacin de las mediciones de hierro en solucin con el
hierro total oxidado, se vio en el caso del J55 una proporcin mayor
de iones de hierro ligados a la superficie metlicas respecto de los
iones hierro en solucin, en
-
contraste con lo ocurrido con el N80 donde esta proporcin es
menor.
El efecto del crevice por contacto con el fondo de los
recipientes (primer ensayo) parece no tener influencia en las tasas
de corrosin, pero si sobre la dispersin de los resultados. 5.
CONCLUSIONES
Se observ una diferencia importante de
comportamiento del J55 respecto del N80 frente a la corrosin
tanto en el medio estril como en el inoculado, siendo un 20% y 30 %
mayor respectivamente.
La relacin entre las tasas de corrosin en el medio inoculado
respecto del estril mostr un incremento del 15% en la aleacin J55
atribuible a la actividad bacteriana. No se observa la misma
tendencia en el caso de la aleacin N80.
La relacin iones de hierro ligados a la superficie versus iones
de hierro en solucin, tanto en los medios inoculados como en los
estriles, es mayor para la aleacin J55 que para la N80.
Se determin una mayor proporcin de bacterias ssiles adheridas
sobre el J55 respecto del N80.
En los tiempos de ensayo estudiados no se observ corrosin
localizada. 6. REFERENCIAS [1] Tabarrozzi, E.H: Manual de
Recuperacin Secundaria-YPF, 1997; Corrosin en Recuperacin
Secundaria, 2001, Comisin de Integridad de instalaciones-IAPG. [2]
Beyenal, H; Nee Chen, S; Lewandowski, Z: The double substrate
growth kinetics of Pseudomonas aeruginosa, Enzyme and Microbial
Technology, Vol. 32, 2003, pp 92-98. [3] Werner; Roe; Bugnicourt;
Franklin; Heydorn; Molin; Pitts; Stewart: Stratified growth in
Pseudomonas aeruginosa biofilms, Applied and Environmental
Microbiology, 2004, pp 6188-6196. [4] Susan Watkins Borenstein:
Microbiologically influenced corrosion handbook, 1994, Ed. Ind.
Press Ink [5] H. Videla, R. Salvarezza: Introduccin a la Corrosin
Microbiolgica, 1984, Ed. Biblioteca Mosaico [6] J.R.Galvele:
Transport processes and the mechanism of pitting of metals, Journal
of Electrochemical Society, Vol 123, 1976, pp 464-474; [7]
J.R.Galvele: Transport processes in passivity breakdown II. Full
Hydrolysis of metal ions, Corrosion Science, Vol. 21 N 8, 1981, pp
551-579. [8] Iwona Beech: Biocorrosion: towards understanding
interactions between biofilms and
metals, Current opinion in Biotechnology, Vol. 15, 2004, pp
181-186.
